(57)【要約】【課題】  この発明は、光源から出射した二次元放射光を、横幅方向、上下方向のいずれにも平行にそろうようにし、十分な集光効果を得ることができるバックライト用屈折集光板を提供することを課題とする。【解決手段】  この発明のバックライト用屈折集光板は、入射光を上下方向にコントロールする第一のレンズ部１と、入射光を横幅方向にコントロールする第二のレンズ部２とを組み合わせてなるものとしている。また、前記バックライト用屈折集光板は、光源から出た二次元放射光の方向を、それ自体の厚さ方向の中心軸にそろえるための屈折集光板であって、前記中心軸を通る第一の中心軸面に対して入射光を収束させる第一のレンズ部１と、前記中心軸を通る（前記第一の中心軸面と異なる）第二の中心軸面に対して入射光を収束させる第二のレンズ部２とを、それぞれ入射光側及び出射光側に位置するように組み合わせてなることが好ましい。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を上下方向にコントロールする第一のレンズ部と、入射光を横幅方向にコントロールする第二のレンズ部とを組み合わせてなることを特徴とするバックライト用屈折集光板。
【請求項２】
光源から出た二次元放射光の方向を、それ自体の厚さ方向の中心軸にそろえるための屈折集光板であって、前記中心軸を通る第一の中心軸面に対して入射光を収束させる第一のレンズ部と、前記中心軸を通る第二の中心軸面に対して入射光を収束させる第二のレンズ部とを、それぞれ入射光側、及び出射光側に組み合わせてなることを特徴とするバックライト用屈折集光板。
【請求項３】
第一のレンズ部及び第二のレンズ部が、それぞれの片面に、表面を屈折面とする複数の山型アレイを具備してなると共に、前記山型アレイを具備するそれぞれの片面が、互いに相反する方向を向くように組み合わされることを特徴とする請求項２記載のバックライト用屈折集光板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、バックライトの光源から出た光の方向をそろえるための屈折集光板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載のような、液晶表示装置のバックライトとしての照明装置において、光源（ＬＥＤ光源）と、液晶表示パネルをその裏面から照明する導光体の入射面との間に、フレネルレンズ状の屈折面を有する屈折集光板を配置し、この屈折集光板により、光源から放射状に出射した二次元放射光（交差する２平面内でいずれも平行な光ではないもの、例えば、平面視及び側面視でいずれも光源から放射状となる光）を入射光として屈折集光させ、導光体の入射面に入射させるようにしたものがあった。
【０００３】
前記照明装置においては、屈折集光板のフレネルレンズ状の屈折面により、光源から出射した二次元放射光が、横幅方向に平行にそろうものの、上下方向に平行にそろうようになってはいなかった。
【０００４】
そのため、十分な集光効果を得ることができず、発光ロスが多かった。
【特許文献１】特開２００２−２８９０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この発明は、光源から出射した二次元放射光を、横幅方向、上下方向のいずれにも平行にそろうようにし、十分な集光効果を得ることができるバックライト用屈折集光板を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、下記（１）ないし（３）の手段を採用する。
（１）この発明のバックライト用屈折集光板は、入射光を上下方向にコントロールする第一のレンズ部１と、入射光を横幅方向にコントロールする第二のレンズ部２とを組み合わせてなるものとしている。
【０００７】
（２）また前記バックライト用屈折集光板は、光源から出た二次元放射光の方向を、それ自体の厚さ方向の中心軸にそろえるための屈折集光板であって、前記中心軸を通る第一の中心軸面に対して入射光を収束させる第一のレンズ部１と、前記中心軸を通る（前記第一の中心軸面と異なる）第二の中心軸面に対して入射光を収束させる第二のレンズ部２とを、それぞれ入射光側及び出射光側に位置するように組み合わせてなることが好ましい。
【０００８】
（３）また、第一のレンズ部及び第二のレンズ部が、それ自体の片面に、表面を（それぞれ第一及び第二の）屈折面とする複数の山型アレイを具備してなると共に、前記山型アレイを具備するそれぞれの片面が、互いに相反する方向を向くように組み合わされることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
この発明のバックライト用屈折集光板は、上述のような構成を有しており、入射光を上下方向（所定の中心軸を通る第一の方向）にコントロールする第一のレンズ部１と、横幅方向（前記所定の中心軸を通り第一の方向と異なる第二の方向）にコントロールする第二のレンズ部２との組み合わせにより、光源から出射した光を、横幅方向、上下方向のいずれに関しても方向がそろうようにしているので、高い集光効果を得ることができ、発光ロスを少なくすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明のバックライト用屈折集光板は、入射光を上下方向にコントロールするレンズ部１と、入射光を横幅方向にコントロールするレンズ部２とを組み合わせてなるものである。
【００１１】
以下、この発明の好適な実施形態を、各実施形態を示す図面を参照して説明する。図１ないし図６は、本発明の実施例１の形態を示し、図７及び図８はそれぞれ図５、図６における入射角とレンズ頂角の関係を示す。また図９は、本発明の実施例２の形態を示す。
【実施例１】
【００１２】
図１は、この発明の実施例１のバックライト用屈折集光板を用いたバックライトの構成を示した斜視分解説明図である。本発明のバックライト用屈折集光板は、斜線で示されるように、光源３と導光体４の間に配置される。
【００１３】
図２は、この発明の実施例１のバックライト用屈折集光板を用いたバックライトの構成を模式的に示した平面図である。図中の矢印は光の進行方向を示している。このバックライト用屈折集光板は、図示したように、液晶表示装置のバックライトにおいて、光源３（ＬＥＤ光源）と導光体４の入射面との間に配置されるものとしている。
【００１４】
（第一のレンズ部１、第二のレンズ部２）
実施例１のバックライト用屈折集光板は、それぞれフレネルレンズ状とした、第一のレンズ部１、第二のレンズ部２という２つのレンズ部を、互いに相反する方向へ重ねあわせてなるものとしている。つまり、第一のレンズ部１と第二レンズ部２は、それぞれ両側面の外側を向いて、表裏の両面（図４における正面及び背面）に、その屈折面５（５１、５２）が形成される。２つのレンズ部１、２によって、光源から出た二次元放射光の方向を、それ自体の厚さ方向の中心軸Ａに収束させるものとしている。更に言えば、中心軸Ａを通る第一の中心軸面Ｆ１に対して入射光を収束させる第一のレンズ部１と、前記中心軸を通る第二の中心軸面Ｆ２に対して入射光を収束させる第二のレンズ部２とを、それぞれ入射光側及び出射光側に位置するように組み合わせてなる。ここで、前記第一の中心軸面Ｆ１と第二の中心軸面Ｆ２とは異なる面であり、互いに中心軸Ａで交わる。実施例では直交する。
【００１５】
また、第一のレンズ部１及び第二のレンズ部２が、それ自体の片面に、表面をそれぞれ第一及び第二の屈折面５１、５２とする複数の山型アレイを具備してなる。前記山型アレイを具備するそれぞれの片面が、互いに相反する方向を向くように組み合わされる。
【００１６】
両レンズ部１、２は板状で、その片側を屈折面５、他方の側をフラット面６としている。前記屈折面５は、入射した光が屈折するようにした複数の傾斜面を平行に並べたものとしている。
【００１７】
具体的には、光源４側に位置する第一のレンズ部１は、入射角度θＬが大なる入射光を、その片面に設けた複数の山型アレイの第一の屈折面５１から入射させ、第一の中心軸面Ｆ１に対して収束させる。また、第二のレンズ部２は、前記第一のレンズ部１よりも光源４側と反対側の導光体５側に位置し、入射角度θＬが小なる入射光を、その片面に設けた複数の山型アレイの底面たる第二のフラット面６２から入射させ、第二の中心軸面Ｆ２に対して収束させる。
【００１８】
第一の山型アレイの頂部によって第一の稜線が形成され、第二の山型アレイの頂部によって第二の稜線が形成される。正面視にて、第一の稜線と第二の稜線とは、互いに交わる。実施例において、各山型アレイの断面は直角三角形であり、隣同士で傾斜面側へ順に大きくなる（図４参照）。その斜辺が屈折面５（第一の屈折面５１、第二の屈折面５２）であると共に、その底辺がフラット面６と平行な面（第一のフラット面６１、第二のフラット面６２）である。
【００１９】
また、断面斜辺たる屈折面５と、断面底辺と同一角度のフラット面（断面底辺たる第一のフラット面６１、第二のフラット面６２と同義）とで形成される角を、山型アレイのレンズ頂角θ１としている。
【００２０】
第一のレンズ部１と第二のレンズ部２とは、前記屈折面５の傾斜面の並ぶ方向が互いに直交するように組み合わされており、第一ののレンズ部１は、入射光を上下方向（図中奥行き方向）にコントロールする（そろえる）ようにし、図中右側のレンズ部２は、入射光を横幅方向（図中左右方向）にコントロールするようにしている。
【００２１】
この構成により、光源３から出射した放射状の光は、第一のレンズ部１たるフレネルレンズにより上下方向に平行にそろい、そして第二のレンズ部２たるフレネルレンズにより横幅方向に平行にそろい、横幅方向及び上下方向のいずれにも平行にそろった状態で導光体４に入射するようになっている。
【００２２】
なお、入射光を第一のレンズ部１により横幅方向に平行にそろうようにし、第二のレンズ部２により上下方向に平行にそろうようにしてもよい。
【００２３】
（図３及び図４の説明）
図３は、図１の一部を拡大した配置説明斜視図であり、光源３と本発明のバックライト用屈折集光板と導光体４との位置関係、及び、本明細書において仮想する中心軸Ａと中心軸面Ｆ（Ｆ１、Ｆ２）の位置関係を示すものである。図４は、図３を平面図及び側面図で表した配置説明図である。
【００２４】
中心軸Ａは、光源３の中心を通り、光源３と導光体４とを結ぶ方向の軸（実施例では水平軸）である。本発明の本発明のバックライト用屈折集光板の厚さ方向を向く。第一の中心軸面Ｆ１と第二の中心軸面Ｆ２は共に中心軸Ａを通り、且つ中心軸Ａで９０度に交わる。
【００２５】
光源３は、二次元放射光を発するＬＥＤ光源であり、平面視幅方向へ等間隔に複数個設置される（図１参照）。各光源３は、箱型の有色樹脂（図４の実線で示す扁平直方体、図では白色樹脂）内に、一回り小さい透明樹脂（図４の実線で示す扁平直方体）が埋設され、更にこの透明樹脂内に、更に小さいＬＥＤチップが埋設されてなる。透明樹脂の、導光体４側にある背面側の一面は、光源３の放射面として露出する。この放射面から見た透明樹脂の底面（側方向面）にＬＥＤチップが貼り付けられて埋設される（図４参照）。この透明樹脂の直方体の幅Ｗ、奥行Ｄ、高さＨは、光源３の単位毎の二次元放射光の広がり、大きさ及び光量を規定するものであり、後述するように、レンズ頂角θ１を設定する際に必要な値となる。
【００２６】
（図５及び図７の説明）
図５は、図４の側面図に示す第二のレンズ部２について、第二の屈折面５２（屈折面５）付近を拡大したものである。図５の三角形は、斜辺が第二の屈折面５２（屈折面５）、水平な底辺がフラット面６（水平な点線で示されるもの）と平行な第二のフラット面６２を示す。
【００２７】
図５に示されるように、光源からの放射光の中心軸Ａに対する出射角θＬ（θＬ２）と、同放射光の中心軸Ａに対するレンズ入射角θ２とは錯角のため等しい。レンズ入射角θ２で入射した第二のフラット面６２への入射光がレンズ屈折によりフラット面出射角θ３となり、屈折面５２へ屈折面入射角θ４で入射する。さらに屈折面５２への入射光は屈折面に対するレンズ出射角θ５で出射する。このとき、屈折率ｎ、底辺のレンズ頂角θ１を含めて下記関係が成り立つ。
【００２８】
【数１】
2006012800.tif 000003
【００２９】
【数２】
2006012800.tif 000004
【００３０】
【数３】
2006012800.tif 000005
【００３１】
【数４】
2006012800.tif 000006
【００３２】
出射光が中心軸Ａに平行になる条件は、下記の関係が成り立つことである。
【００３３】
【数５】
2006012800.tif 000007
【００３４】
【数６】
2006012800.tif 000008
【００３５】
このとき、光源の出射角θＬ＝θ２とレンズ頂角θ１の関係は以下のようになる。
【００３６】
【数７】
2006012800.tif 000009
【００３７】
上記数式７に示される「出射光が中心軸に平行になる条件」を、レンズの頂角部すなわち中心軸に最も遠いところに設定すすることが望ましい。このようなものであれば、中心軸に近づくに従って、レンズへの入射光角度が小さくなることから、出射角は中心軸へ向かって集光（収束）する。
【００３８】
図７は上記数式７に基づいて、出射光が中心軸に平行になる入射光角θＬ２（θＬ）（縦軸）と、レンズ頂角θ１（横軸）との関係を示したものである。この曲線よりも下の領域にあれば、出射光が中心軸に向かって収束することとなる。逆にこの曲線よりも上の領域にあれば、出射光が中心軸から離れていくこととなる。すなわち、第二のフラット面６２（フラット面６）から入射される出射光は、下記式の条件によってそれぞれ収束、平行、発散に分類される。
【００３９】
【数８】
2006012800.tif 000010
【００４０】
【数９】
2006012800.tif 000011
【００４１】
【数１０】
2006012800.tif 000012
【００４２】
光源４からの放射光の入射角に応じて、図７の下の領域にある（つまり数式８が成り立つ）ように設定することで、レンズ頂角θ１を設定することが出来る。すなわち図７の下の領域ないし数式８を用いることによって、入射角に対応した頂角を、収束機能を確実に発揮するレンズのものとして容易に設定することができる。また既存のバックライト屈折集光板についても、配置状況やバックライト屈折集光板の形状、光源の種類に基づき、好ましいものを容易に判別することができる。
【００４３】
（図６及び図８の説明）
図６は、図４の平面図に示す第一のレンズ部１について、第一の屈折面５１（屈折面５）付近を拡大したものである。図６の三角形は、斜辺が第一の屈折面５１（屈折面５）、水平な底辺がフラット面６（水平な点線で示されるもの）と平行な第一のフラット面６１を示す。図６内に、屈折率ｎ、底辺（第一のフラット面６１）と斜辺（第一の屈折面５１）で構成される底角のレンズ頂角θ１、レンズへの入射角（中心軸Ａに対する入射角θＬ（θＬ１）、第一の屈折面５１への入射光に対する入射角θ２）及び斜辺（第一の屈折面５１）に対する反射角θ３を示す。
【００４４】
図６に示されるように、（光源からの放射光の中心軸Ａに対する出射角θＬ）と、（入射角θ２及び反射角θ３の差）とは、錯角のため等しい。図６の矢印で示す放射光の進行方向順に説明すると、中心軸に対してレンズ入射角θ２の傾斜角度で入射した第一の屈折５１への入射光が、レンズ屈折により屈折面に対する出射角θ３となる。そして、第一のフラット面６１へ出射する。このとき図６に示すように、出射光が中心軸と同じ方向（角度ゼロ）すなわち第一のフラット面６１と垂直な方向となるには、下記関係が成り立つことが必要である。
【００４５】
【数１１】
2006012800.tif 000013
【００４６】
【数１２】
2006012800.tif 000014
【００４７】
【数１３】
2006012800.tif 000015
【００４８】
上記数式１３の入射角θＬ１とレンズ頂角θ１の関係を、それぞれ横軸、縦軸として図示した曲線を、図８に示す。この曲線上では、レンズ出射光と中心軸Ａとが平行になる。図８において同曲線より下の領域であれば、レンズ出射光が中心軸Ａ方向へ収束し、逆に同曲線より上の領域であれば発散（拡散）する。すなわち、第二のフラット面６２（フラット面６）から入射される出射光は、下記式の条件によってそれぞれ収束、平行、発散に分類される。
【００４９】
【数１４】
2006012800.tif 000016
【００５０】
【数１５】
2006012800.tif 000017
【００５１】
【数１６】
2006012800.tif 000018
【００５２】
光源４からの放射光の入射角θＬに応じて、図８の下の領域にある（つまり数式１４が成り立つ）ように、本発明のバックライト用屈折集光板の配置や光源３の透明樹脂形状（幅Ｗ、奥行Ｄ、高さＨ）の調整を行い、また、レンズ頂角θ１を設定することが出来る。すなわち図８の下の領域ないし数式１４を用いることによって、入射角に対応した頂角を、収束機能を確実に発揮するレンズのものとして容易に設定することができる。また既存のバックライト用屈折集光板についても、配置状況やバックライト用屈折集光板の形状、光源の種類に基づき、好ましいものを容易に判別することができる。
【００５３】
（図７と図８の比較）
図７と図８により、屈折面５（５１、５２）とフラット面６（６１、６２）それぞれへの入射角を比較すると、図７のようなフラット面６からの入射と、図８のような屈折面５からの入射が、共に同じレンズ頂角θ１とした場合、屈折面入射角はフラット面入射角よりも大きい。これは、図７の曲線と図８の曲線を重ねた場合、図８の曲線のほうが下側に位置し、平行となるレンズ頂角θ１の値が下回ることによる。
【００５４】
具体的には、レンズ頂角θ１が１０°、２０°、３０°の場合、屈折面入射角θＬ１（図８）はそれぞれ、１５．６°、３２．０°、５０．８°であり、フラット面入射角θＬ２（図７）はそれぞれ、５．５°、１１．０°、１６．６°である。このことから、同レンズ頂角θ１の条件下で、屈折面入射角θＬ１（図８）はフラット面入射角θＬ２（図７）の約３倍もの臨界値（収束領域から発散領域へ移行する臨界値）となる。これは、屈折面入射（図６）のの方が、より広角レンズ機能に優れることを意味する。
【００５５】
（具体例）
一般的に光源３がＬＥＤ光源の場合、上記（図３及び図４の説明）のようにやや横長扁平の透明樹脂を具備する。このように、一般的には、二次元放射光は、中心軸Ａで交わる２面（すなわち、側面視、平面視の２面）それぞれで見た場合、放射角度すなわち屈折集光板への入射光の最大傾斜角度が２面で異なる。つまり、扁平放射する二次元放射光である。この扁平放射する二次元放射光のそれぞれの面に対応して、図５および図６の向きのレンズを設けることで、放射光を各面いずれとも効率的に収束させることができる。この様にしてレンズ面を形成したものが実施例１のバックライト用屈折集光板であり、第一のレンズ部１および第二のレンズ部２を、互いに稜線が直交するように両面（互いに外側）を向いて形成したフレネルレンズとしている。
【００５６】
ＬＥＤチップは、簡略化のため透明樹脂の奥行Ｄの位置で点光源であると考えるとき、幅Ｗ方向の出射角θＬＷ、高さＨ方向の出射角θＬＨは、それぞれ下記式で表される。
【００５７】
【数１７】
2006012800.tif 000019
【００５８】
【数１８】
2006012800.tif 000020
【００５９】
例えば、ｎｋ＝１．５５、Ｗ＝Ｄ、Ｈ＝Ｗ／４とすると、幅Ｗ方向の出射角θＬＷ＝３７．８°、高さＨ方向の出射角θＬＨ＝１０．９°となる。これらの値と図７（或いは数式８）、図８（或いは数式１４）を参照すると、光源４側の第一レンズ部１のレンズ頂角θ１、導光体５側の第二レンズ部２の第二屈折面６２のレンズ頂角θ１は、それぞれ２４°以上、２０°以上が最適であると判別することができる。
【実施例２】
【００６０】
本発明の他の実施形態として実施例２を図９に示す。前記実施例１では、図中左側のレンズ部１の屈折面５を形成した側を光源３側に向け、図中右側のレンズ部２の屈折面５を形成した側を導光体４側に向け、両レンズ部１，２のフラット面６，６どうしが対面するように組み合わされているのに対して、実施例２では、図中左側のレンズ部１の屈折面５を形成した側が図中右側のレンズ部２のフラット面６を形成した側に対面するように組み合わせたものとすることもできる。
【００６１】
両レンズ部１，２間には間隔があってもよい。各レンズ部１，２は、ＰＥＴ樹脂製等のフィルム状ないしシート状物の片面を加工して屈折面５を形成して製造したり、インジェクション成形により製造したりすることができる。また、１枚の板の表裏にそれぞれ屈折面５を形成することにより、両レンズ部１，２を一体のものとすることもできる。
【００６２】
さらに、一方のレンズ部は、フレネルレンズ以外にも、プリズムレンズ、レンチキュラーレンズ等の適宜のレンズとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
液晶表示装置のバックライトにおいて利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】この発明の実施例１のバックライト用屈折集光板を用いたバックライトの構成を示した斜視分解配置説明図。
【図２】実施例１のバックライト用屈折集光板を用いたバックライトの構成を模式的に示した配置説明平面図。
【図３】図１に示す実施例１のバックライト用屈折集光板を用いたバックライトの構成を示した斜視拡大説明図。
【図４】図３に示す実施例１のバックライト用屈折集光板を用いたバックライトの構成を模式的に示した平面図及び側面図。
【図５】図４に示す実施例１のバックライト用屈折集光板の第二のレンズ部を示した拡大側面図。
【図６】図４に示す実施例１のバックライト用屈折集光板の第一のレンズ部を示した拡大平面図。
【図７】図４に示す実施例１のバックライト用屈折集光板の、第二のレンズ部のフラット面からの入射の場合の入射角とレンズ頂角の関係を示すグラフ。
【図８】図４に示す実施例１のバックライト用屈折集光板の、第一のレンズ部の屈折面からの入射の場合の入射角とレンズ頂角の関係を示すグラフ。
【図９】この発明の他の実施形態（実施例２）のバックライト用屈折集光板の説明図。
【符号の説明】
【００６５】
１  第一のレンズ部
２  第二のレンズ部
３  光源
４  導光体
５  屈折面
５１  第一の屈折面
５２  第二の屈折面
６  フラット面
６１  第一のフラット面
６２  第二のフラット面
Ａ  中心軸
Ｆ１  第一の中心軸面
Ｆ２  第二の中心軸面
【図１】
2006012800.tif 000021
【図２】
2006012800.tif 000022
【図３】
2006012800.tif 000023
【図４】
2006012800.tif 000024
【図５】
2006012800.tif 000025
【図６】
2006012800.tif 000026
【図７】
2006012800.tif 000027
【図８】
2006012800.tif 000028
【図９】
2006012800.tif 000029